虛擬仿真技術(shù)在電子信息專業(yè)信號(hào)處理類課程中的教學(xué)改革探索

蔣樂勇，鄒 孝，鄭之偉

（湖南師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410081）

0 引言

近些年來，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件以及信息技術(shù)快速發(fā)展，電子信息類課程的教學(xué)方法也發(fā)生了革命性的變化，虛擬仿真技術(shù)逐漸應(yīng)用在教學(xué)領(lǐng)域中，形成一種新的教學(xué)模式，即虛擬仿真教學(xué)。虛擬仿真教學(xué)作為一種新興的技術(shù)在高校教學(xué)中迅速崛起，在課程教學(xué)信息化中發(fā)揮了越來越重要的作用，如MATLAB Simulink、SystemView、keil、Labview、Multism、Proteus、Protel99se等虛擬仿真軟件在各類專業(yè)課程教學(xué)中發(fā)揮的作用越來越不可替代。在上述諸多虛擬仿真軟件中，MATLAB Simulink、Labview軟件由于具備獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)使得其在信號(hào)處理類相關(guān)課程中尤其顯得有優(yōu)勢(shì)。虛擬仿真技術(shù)在信號(hào)處理類課程中的教學(xué)應(yīng)用中逐步得到重視，各種相關(guān)的教改成果也大量涌現(xiàn)，但在國內(nèi)有些大學(xué)，特別是對(duì)于師資教學(xué)能力和資金投入不夠的學(xué)校，需要進(jìn)一步加強(qiáng)實(shí)踐與探索。

1 虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于信號(hào)處理類課程的教學(xué)改革方案

1.1 改革目標(biāo)

（1）研究電子信息類專業(yè)信號(hào)處理類課程內(nèi)容和特點(diǎn)，建立一套基于虛擬仿真的課程教學(xué)課件，加深學(xué)生對(duì)于教學(xué)理論的理解，以便學(xué)生分析和解決信息技術(shù)中的實(shí)際問題。

（2）在課堂教學(xué)中，提高學(xué)生的興趣和理解程度，豐富課堂教學(xué)內(nèi)容，改善課堂教學(xué)效果和質(zhì)量。

（3）以學(xué)生為本，利用虛擬仿真將教學(xué)和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐、理論和應(yīng)用很好結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力，開拓學(xué)生思路，發(fā)揮其創(chuàng)造性，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)課程學(xué)習(xí)的信心。

1.2 實(shí)施內(nèi)容

圖1 基于虛擬仿真平臺(tái)的信號(hào)處理類課程改革框架

（1）以《通信原理》、《信號(hào)與系統(tǒng)》、《數(shù)字信號(hào)處理》、《Matlab及應(yīng)用》等課程為核心，研究課程內(nèi)容和契合點(diǎn)，選擇和確定虛擬軟件及虛擬仿真應(yīng)用的課程知識(shí)點(diǎn)。

（2）改進(jìn)課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，將虛擬仿真技術(shù)引入課堂，在課堂理論授課過程中利用虛擬仿真將信號(hào)的工作狀態(tài)和信息傳輸狀態(tài)進(jìn)行演示，將抽象的理論知識(shí)直觀化、形象化，便于學(xué)生的理解和教師的講授。

（3）適當(dāng)調(diào)整現(xiàn)有專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案，在專業(yè)實(shí)驗(yàn)前增加虛擬仿真預(yù)計(jì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，增加一些基于虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)思考，在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上增加設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)對(duì)課程內(nèi)容的實(shí)際運(yùn)用。

（4）在電子信息專業(yè)的課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)中，由于基于虛擬仿真的系統(tǒng)不受實(shí)驗(yàn)器材品種、規(guī)格、經(jīng)費(fèi)的限制，因此將拓寬課題的選擇范圍；提供一些趣味性、綜合性、創(chuàng)造性強(qiáng)方案，與工程實(shí)踐相關(guān)聯(lián)的課題供學(xué)生選擇。

（5）逐步開展線上虛擬仿真教學(xué)，在實(shí)際教學(xué)過程中采用“線上-線下”虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)模式，從而有利于學(xué)生根據(jù)自身學(xué)習(xí)情況和興趣在課內(nèi)外自學(xué)。

2 虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于信號(hào)處理類課程的實(shí)施過程

（1）調(diào)整電子信息類專業(yè)信號(hào)處理類課程課程內(nèi)容，簡(jiǎn)化理論內(nèi)容，增加虛擬仿真課程內(nèi)容和實(shí)踐時(shí)間。以Matlab Simulink、Labview作為虛擬仿真軟件開發(fā)工具，在這些課程教學(xué)內(nèi)容上實(shí)現(xiàn)知識(shí)體系和虛擬仿真體系的初步融合。

（2）在課堂教學(xué)中，插入理論知識(shí)的實(shí)際運(yùn)用案例，并利用虛擬仿真演示問題解決過程和解決效果。通過在教學(xué)模式方面的改進(jìn)創(chuàng)新，靈活運(yùn)用多種先進(jìn)教學(xué)方法，有效的調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，促進(jìn)學(xué)生的積極思考，激發(fā)學(xué)生的潛能，注重對(duì)學(xué)生理論知識(shí)運(yùn)用的能力考查。

（3）在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，依托虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)讓學(xué)生預(yù)習(xí)并進(jìn)行虛擬驗(yàn)證，并誘導(dǎo)學(xué)生利用虛擬仿真預(yù)判實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果；在實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)束后，在內(nèi)容相關(guān)基礎(chǔ)上增加設(shè)計(jì)性問題，培養(yǎng)學(xué)生利用所學(xué)理論知識(shí)和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)解決問題能力和創(chuàng)新意識(shí)。每個(gè)虛擬仿真項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目按照“入門項(xiàng)目——基礎(chǔ)項(xiàng)目——提升項(xiàng)目——綜合項(xiàng)目”的遞進(jìn)步驟展開。

①學(xué)生自主進(jìn)入虛擬仿真系統(tǒng)“入門項(xiàng)目”學(xué)習(xí)各種虛擬儀器的基本原理、結(jié)構(gòu)分析、操作演示和應(yīng)用范圍，并進(jìn)行在線考核。

②學(xué)生通過入門模塊的學(xué)習(xí)后進(jìn)入系統(tǒng)的“基礎(chǔ)項(xiàng)目”，完成相應(yīng)的學(xué)習(xí)和操作，記錄仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并與參考結(jié)果比較。

③學(xué)生進(jìn)入系統(tǒng)的“提升項(xiàng)目”，自主選擇模塊進(jìn)行學(xué)習(xí)與仿真，并撰寫相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

（4）學(xué)生通過系統(tǒng)提升模塊中的任一學(xué)習(xí)模塊可以進(jìn)入到“綜合項(xiàng)目”的學(xué)習(xí)，學(xué)生可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行開發(fā)創(chuàng)新性的項(xiàng)目，并利用虛擬仿真讓學(xué)生將課堂理論知識(shí)真正應(yīng)用到具體實(shí)踐項(xiàng)目中。

（5）開發(fā)課程虛擬仿真平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，利用互聯(lián)網(wǎng)搭建24小時(shí)開放的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，構(gòu)建自由探討、團(tuán)隊(duì)合作、開放設(shè)計(jì)的虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。教師在線答疑、評(píng)價(jià)，師生在線交流等。

3 虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于信號(hào)處理類課程的成效

（1）豐富了教學(xué)內(nèi)容，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性。在課堂教學(xué)中，利用虛擬仿真能夠生動(dòng)反映信息處理的流程、工作狀態(tài)和相應(yīng)的動(dòng)作，將枯燥的內(nèi)容轉(zhuǎn)變?yōu)椤翱吹靡?、摸得著”，讓學(xué)生能夠深層次把握教材的重要理論概念和專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)。

（2）創(chuàng)新了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，提高了學(xué)生實(shí)踐性技能。通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)與虛擬仿真結(jié)合、自主實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新拓展相結(jié)合、知識(shí)傳授與創(chuàng)新能力培養(yǎng)相結(jié)合的教學(xué)設(shè)計(jì)，這種新模式既適合于學(xué)生課外的自主學(xué)習(xí)，又有利于學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新性的自主實(shí)驗(yàn)，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)欲望，深化知識(shí)理解。

（3）節(jié)省了時(shí)間、空間和硬件成本資源。只要具備個(gè)人計(jì)算機(jī)和相應(yīng)軟件，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐活動(dòng)可以在任何時(shí)間進(jìn)行，不受實(shí)驗(yàn)室空間限制，所有操作都在計(jì)算機(jī)上虛擬完成，節(jié)省了硬件焊接、安裝等工序時(shí)間，縮短了項(xiàng)目開發(fā)周期，發(fā)揮了虛擬仿真時(shí)效、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢(shì)。

（4）實(shí)現(xiàn)了虛擬仿真技術(shù)資源的共享?！熬€上-線下”結(jié)合的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源，既可以用于電子信息類專業(yè)的綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)，還可擴(kuò)展到不同專業(yè)、不同高校與不同省份。

4 結(jié)束語

將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到信息類相關(guān)課程教學(xué)環(huán)節(jié)中，實(shí)現(xiàn)了課程理論學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)踐活動(dòng)的有機(jī)結(jié)合。一方面克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)儀器設(shè)備不足，使學(xué)生在課內(nèi)外都可以學(xué)習(xí)課程相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)，解決了信息處理課程教學(xué)中的難；另一方面利用虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行功能擴(kuò)展型、綜合應(yīng)用型和創(chuàng)新型等多種形式的針對(duì)性訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生的分析、應(yīng)用和創(chuàng)新能力。因此，虛擬仿真技術(shù)對(duì)于電子信息類專業(yè)信號(hào)處理類課程教學(xué)是非常有幫助和有意義的。